HDPE波纹管在水电站渠道改造中的应用

罗应培，金 诚

(1．云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228；2.华能澜沧江水电有限公司，云南 昆明 650214)

1 概 述

丰甸河二级水电站位于云南省兰坪县兔峨乡境内，为无调节引水式小型水电站。发电引用流量1.9 m3/s，毛水头928.6 m，装机容量12.6 MW，年平均发电量5 487万kW·h，年利用小时数4 355 h。该电站于2007年3月建成投产发电，主要水工建筑物有拦河坝、取水口、简易沉沙池、引水渠道、压力前池、压力钢管和主副厂房、升压站等。引水渠道布置于丰甸河右岸半山腰，由原灌溉水渠改造而成，渠道全长4 422 m，沿程底坡坡比和断面变化较多，主要采用M7.5浆砌石砌筑，过水面砂浆抹面。

2016年8月，渠道K3+280～K3+340长60 m段外边坡出现裂缝，最大裂缝宽度达20 cm，经停机停水检查，渠道结构大面积出现裂缝，须采取修复或改造措施后保证渠道的正常运行。

该段渠道断面为1.2 m×1.3 m(净宽×净高)，位于冲沟古堆积体上，厚度大于8 m，沟内常年有地下水出露，上边坡有明显出水点一处，下边坡有明显出水点两处，出水量汇集后约1 L/s。渠道上边坡坡度约1∶0.8；下边坡分二级台地，综合坡比约1∶1.3～1.4，台地至渠道斜坡长约80～120 m。

渠道结构损坏的主要原因为：由于该期间电站区域连续降雨，地下水位抬高，且水量明显加大，同时渠底不均匀沉降，导致渠道浆砌石结构多处开裂，并出现较大漏渗水；长时间大量水流外渗使得渠道下边坡土壤水分充分饱和，局部细颗粒被大量带走，出现管涌及架空现象，破坏了边坡稳定的临界状态，渠道外侧路面也出现裂缝。

2 渠道改造初步方案比较

综合现场地形、地质条件及原渠道布置形式，充分考虑地基不均匀沉降变形，为满足运行安全、投资、工期的要求，推荐两方案比选。

方案一：钢筋混凝土箱涵改造方案。该段基础采取0.4 m厚M7.5浆砌石做垫层，平面约40 m需向山体内侧重新开挖布置。断面采用0.4 m厚钢筋混凝土箱涵结构，每隔6 m设铜止水。

方案二：HDPE埋管方案。即采用HDPE钢带增强螺旋波纹管，以高密度聚乙烯(PE)为基体，表面涂敷粘接树脂的钢带成型为波形作为主要支撑结构，并与聚乙烯材料缠绕复合成整体的双壁螺旋波纹管，使用年限长达30～50 a，广泛使用于市政供水、管网改造等工程领域。

原渠道过水面积为1.23 m2，为保持该段过流水力条件和原渠道两端的良好衔接，避免该段过流时出现回流漫过上游渠道边墙，产生不必要的破坏，因此选择管外径1.2 m，内径1.17 m，壁厚9.5 mm。同时，考虑地基沉降影响和波纹管允许变形的要求，需对该段渠道基础进行改造。原渠底适当扩挖适应基础要求，设置可靠的基础垫层，从下到上分别采用0.4 m厚M7.5浆砌石、0.2 m厚钢筋混凝土、细沙垫层，回填覆盖至管顶0.1 m全管包裹保护。管段中间接缝采用热塑成型方式，两端接老渠道部位采用混凝土封堵，预留管道外径孔，管道敷设时做相应伸缩接缝处理(见表1)。

表1 渠道改造初步方案比较

推荐使用HDPE钢带增强螺旋波纹管埋管方案，工程直接费约21万元，工期约41 d。

3 HDPE波纹管有压过水与无压过水方案选择

初步方案经充分讨论，同意推荐HDPE波纹管方案，但埋管方案存在基础开挖较深、弃渣堆放困难等因素，要求进一步研究HDPE无压管流方案，同时充分考虑该段渠道防滚石、泥沙沉积和磨损的防护措施。

无压流态下的管径计算如下：

采用无压流态时，按明渠恒定均匀流计算。根据《水工设计手册》(第二版)第一卷，糙率可取n=0.009～0.011；由于糙率受施工工艺影响较大，为安全计，本工程取值不宜小于0.011。设计流量按最大引用流量计算。根据渠道原施工蓝图，该段渠道原底坡坡比为2.59‰，渠底高程差为0.233 m。

查无压圆管在不同充满度时的过水断面水力要素表，本项目取最大充满度为0.75。通过试算，可计算出管径选择为1.2 m(内径1.17 m)时能满足过水要求，可与渠道前后的正常水深衔接。

4 工程实施方案

在工程实施过程中，经过对改造段进口和出口高程差的测量，发现实际渠底高程差与设计蓝图不一致；实际高程差较低，即按明渠均匀流计算的底坡变缓，管径1.2 m不能满足明流过水能力要求，但1.2 m管径的HDPE波纹管已经生产并运到现场，只能复核满流情况下的有压过水方案。

4.1 管径1.2 m有压流过水能力复核

首先根据电站确定的引用流量和改造段长，通过假定HDPE管管径，计算出水流流经此段HDPE管的水头损失。再根据实测断面，计算出此HDPE管改造段进口和出口连接渠道的底板高程差。若HDPE管内的水头损失小于进口和出口连接渠道的底板高程差，则所选管径满足过水要求。

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，局部水头损失按沿程水头损失的10%计。沿程水头损失按恒流均匀流计算，计算公式采用达西公式、谢才公式、曼宁公式计算。

当复核HDPE管管径1.2 m糙率取0.012时，其水头损失略小于渠底高程差，即1.2 m管径能满足过水要求。当复核HDPE管管径1.2 m糙率取0.013时，其水头损失大于渠底高程差0.04 m，即选择1.2 m管径时将在进口比渠道正常水深涌高0.04 m，在渠道安全超高0.3～0.4 m内。可见，HDPE管选择管径为1.2 m后，需按有压流方案设计才能满足过水能力要求。

4.2 有压流过水方案设计和实施

有压流波纹管改造项目由三部分组成，分别为进口段、管身段和出口段。

波纹管进口端设置连接池兼集沙坑，防止泥沙、碎石等进入波纹管难以清理。集沙坑2.3 m×1.5 m(长×宽)，坑底比波纹管底部低0.4 m，采用0.3 m厚C20钢筋混凝土浇筑，集沙坑基础采用0.25 m厚M7.5浆砌石作垫层。后期运行证明，此集沙坑效果明显。

波纹管前端顶高程低于渠道正常水深0.3 m，即淹没深度0.3 m，前端0.6 m范围采用C20钢筋混凝土封闭和固定(顶部与前段渠顶同高)，同时起到镇墩的作用。波纹管基础采用三层结构，最下层为0.3 m厚M7.5浆砌石作垫层，中间层为0.15 m厚C20钢筋混凝土，上层为0.1 m厚粉细砂，以保护波纹管不被尖锐石头或尖锐物品扎伤。波纹管两侧及顶部也采用0.1 m厚粉细砂保护。波纹管分段接头处的基础预留安装坑，长1.8 m、宽0.8 m、深0.6 m。粉细砂包裹后的以上部位采用开挖料回填(同时防止阳光直晒造成波纹管的老化)，并回填为斜坡状并加设钢筋混凝土盖板；当发生滚石时能顺势冲向下游，不致对波纹管造成威胁。对上边坡出露的地下水，设置简易水池汇集后采用PVC管接引至前端集沙坑。

波纹管出口端设置过渡池，波纹管末端0.6 m范围也采用C20钢筋混凝土封闭和固定(顶部与前段渠顶同高)，同时起到镇墩的作用。过渡池底坡和两侧边墙考虑水流平顺，采用1∶1.5的坡面与后段渠道平顺连接。

波纹管选用HDPE钢带增强螺旋波纹管，考虑管径(1.2 m)较大，为适应基础变形，波纹管增加了壁厚。外壁采用钢带增强一体成型，每5 m一段，每段重约250 kg。波纹管运至现场后，由人力前后捆绑入槽对位。波纹管焊接采用两道工序，波纹管对位以后用熔焊机将PE焊条熔化将对位焊缝初步封闭(内缝和外缝均做)，然后将直径较大的PE密封圈(宽约30cm)套入焊缝中部，以喷枪加热密封圈后使之与管体胶结融为一体。波纹管焊接速度较快，每道缝焊接时间约30～40 min。安装完毕后，经冲水试验和后期运行证明，焊接质量可靠。

5 结 语

波纹管在矩形渠道改造中与常规钢筋混凝土结构(或浆砌石结构)恢复原断面相比，其明显优势主要有：一是施工速度快。为工程运行赢得更多宝贵时间，特别适合于抢险项目。二是改造投资省。通过本工程投资情况看，投资节省约1/3。三是地基适应能力强。波纹管主要为聚乙烯(PE)制成，有一定适应变形的能力，能更好地适应软基基础工程。本工程地基基础为软基，为古崩塌堆积体且受地下水淘蚀存在架空现象，原渠道的刚性浆砌石结构正是由于此软基变形而破坏，经过波纹管改造后的实践证明，波纹管在软基上具备一定适应能力。

经过1年多的运行，波纹管无漏水情况，管径选择也能保证电站的正常引水过流能力。实践证明，圆形波纹管在水利和水电工程矩形渠道改造中是成功的，可为类似工程提供参考和借鉴。